火電廠管系應力分析及管道支吊架優化

馮展管 吳成軍

為了提高火電廠生產運行的安全性和可靠性，從理論上對火電廠管系應力分析進行了概述，總結和分析了管道支吊架常見的一些問題，并針對這些問題，提出了支吊架調整的方法。

1 概述

火電廠機組中的四大管道主要指主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道、低溫再熱蒸汽管道和高壓給水管道。由于火電廠機組容量的不斷增加，四大管道的各個設計參數不斷的提高，壁厚及管徑也不斷增大，給高溫蒸汽管道的安全運行帶來了不小的隱患。尤其是近幾年來，火力發電廠機的汽水管道時有爆破事故發生，對電廠人身安全造成了威脅，也給火電廠造成了重大的經濟損失。保證管系的應力水平在規范的許用應力范圍內是設備安全可靠運行的前提條件，管道的性能狀況會直接影響機組的安全運行。管道的規格、保溫材料的重量、管系中剛性件的重量、管系的約束條件以及管道支吊系統等都是決定管系應力水平的關鍵因素。

管道支吊架是管道系統中的一個重要組成部分，它對管道起著承受荷載、限制位移和控制振動等作用。合理布置和選擇支吊架以及對出現問題的支吊架進行調整對管道和設備的安全運行起到了至關重要的作用。

2 火電廠管系應力分析

應力分析目的

管系應力分析是通過計算來判明所計算的管道是否安全、經濟和合理，是管道設計非常關鍵的一步。管系應力分析的目的是通過驗算管道在自重、介質運行壓力及其他外載的沖擊或振動所產生的一次應力，和由于管道熱脹冷縮熱脹及由溫度梯度等引起的熱載荷所產生的二次應力，來判斷所驗算的管道是否安全、合理和經濟，判明管道對設備的作用力是否在設備所能承受的安全范圍內。

管系應力分析的最終目的就是要保證管道在各種環境條件下都能夠安全運行，所以不能簡單的認為管系應力分析合格的計算結果就是實際運行的結果，應留有一定的裕量。在保證管道安全的前提下，還應盡可能地使管道選材和用量經濟合理，降低成本。

管系應力基本概念

作用于汽水管道的載荷有很多種，一般包括：管道自重、保溫材料重量、閥門、法蘭、三通等管件重量所產生的載荷，由于管內介質的內壓產生的載荷，風力、地震的沖擊力、管道支吊架反力等產生的載荷，由于管道熱脹冷縮或溫度梯度變化所產生的熱載荷，管道安裝時各部分尺寸誤差所產生的安裝殘余應力，管端位移引起管系變形的位移載荷，它們都會使管道發生變形。此外，還有由于壓力脈動而產生的管道振動引起的載荷，以及液擊產生的沖擊波引起的載荷等也是管系設計中需要考慮的載荷。不同類型的載荷會對管道產生不同程度的破壞，因此需要對載荷進行分類。在汽水管道應力分析中，一般將應力劃分為一次應力和二次應力。

一次應力：由于管道承受內壓、自身重力及其他持續外載作用所產生的應力。它隨外荷載的增加而增加。一次應力是沒有自限性的，即當管道內的塑性區達到極限狀態，使其變成幾何尺寸可變的機構時，即使外荷載不再增加，管道仍將產生不可限制的塑性流動，直到破壞。為了保證管系安全，管道的許用應力范圍都留有適當的裕量，以防止管道因發生過度的塑性變形，而導致管道失效或破壞。

二次應力：管道由于熱脹冷縮變形受到約束，而產生的應力（熱脹應力），它本身不直接與外力相平衡。二次應力是有自限性的，在反復多次的交變應力作用下，使管道產生疲勞，直至破壞。二次應力是管道疲勞破壞的主要原因。為了保證管系安全可靠，除需考慮許用應力允許范圍，還應該控制限定管道在運行期間的交變循環次數。

峰值應力：管道實際運行時，由于結構形狀、載荷的局部突變引起局部應力集中，即一次應力與二次應力相互疊加，疊加應力即為峰值應力。隨著管道運行工況的變化，峰值應力也隨之變化。峰值應力的特點是整個結構不產生任何顯著的變形，它是脆性斷裂和疲勞破壞的根源。應控制峰值應力在安全應力范圍之內，并限定管道冷熱循環交變次數小于安全設計次數，以保證管系安全運行，不產生疲勞破壞。

主要內容

管道應力分析主要包括靜力分析和動力分析兩部分。

靜力分析包括：為防止塑性變形而進行的一次應力計算；為防止疲勞破壞而進行的在管道熱脹冷縮等各種位移荷載作用下的二次應力計算；管道支吊架的受力計算；對管道設備作用力的計算；以及對管道上的法蘭進行的受力計算。

動力分析包括：為了控制管道振動及應力的管道強迫振動響應分析；為防止管道發生共振的管道自振頻率分析；防止氣柱共振的往復壓縮機氣柱頻率分析；控制壓力脈動值的往復壓縮機壓力脈動分析。

管道應力分析原理和計算方法

采用梁模型在管道應力分析中進行模擬。GLIF 的計算方法是基于有限單元法。有限單元法是把管系離散成為有限的直單元和彎單元，可認為力和變形都是通過單元與單元之間的連接節點進行傳遞。整個管系的受力、變形及內力分布都可以由各節點的受力、節點位移及節點力體現出來。進行靜力學應力分析時，通過單元分析、單元集成，利用高斯消元法求解各單元節點力，并對各個單元按照一定的步長求解其單元內點應力。對于直單元步長取長度，而彎單元的步長取弧度。最后得到管系中最大的應力及其作用點，從而確定其應力狀態。有限單元法相比于其他計算方法的優勢在于既能夠計算樹狀分支的管系，也能夠計算環狀閉合的管系。

動力分析仍采用有限單元法，與靜力學分析的不同之處在于單元分析對于物體所受到的載荷還需要考慮單元阻尼力和慣性力等因素。同樣利用高斯消元法求解各節點應力，采用逐步積分法或振型疊加法求得管系的動力響應、固有頻率等。

3 管道支吊架優化調整

支吊架類型及作用

管道支吊架按功能及用途可分為三類。

（1）承重支吊架，承受管道載荷，包括恒力支吊架、可變彈簧支吊架和滑動支架等。它主要用于需要限制轉移載荷的地方，管道垂直位移較大、不太大、垂直位移很小或無垂直位移的地方。

（2）限位支吊裝置，起限位作用，防止發生管道位移，包括導向裝置、限位裝置、固定支架等。它主要用于管系中需要限制位移的地方，不允許有任何方向位移的地方，以及引導管道位移方向或需要控制管道沿軸線轉動的地方。

（3）震動控制裝置，用于控制管道振動、擺動或沖擊，如減震裝置、阻尼器等。它主要用于需要控制沖擊性和持續性的流體振動的地方，以及地震激擾的地方。

支吊架調整和管系應力的關系

管道所承受的一次應力和二次應力的大小，受溫度、壓力、管道自重、保溫層重量、管道的布置方式、支吊架配置等因素的影響。其中管道所承受的內壓、管道自重、支吊架配置等因素決定了管道一次應力的大小，溫度、管道空間布置及支吊架配置、受力等因素決定了二次應力水平。所以這些因素當中，除支吊架承載，其他因素在運行期間一般不會因為狀態的改變而出現大的變化或波動。支吊架的載荷與關系應力水平及管道安全息息相關。

通常可通過檢驗支吊架配置、承載及其熱位移，確定支吊架系統的安全運行水平，通過調整支吊架來改善管道的應力分布，延長管道的使用壽命。

管道支吊架常見問題分析

（1）支吊架安裝不當。管道支吊架在安裝期間，沒有完全按設計要求進行安裝，導致出現一系列問題，如支吊架安裝位置有誤，支吊架型號、類型及數量不符合設計要求，支吊架安裝預留間距不足，現場出現的普遍問題是吊架偏裝、支吊架與附近管道或設備卡、碰嚴重。

（2）彈簧支吊架承載異常。彈簧支吊架安裝載荷及工作載荷欠載或過載，使得彈簧支吊架根本無法達到設計運行要求。此時，欠載或過載的載荷很容易轉移到其他的支吊架上，影響其他支吊架的運行狀態。對于恒力彈簧支吊架常出現的問題是壓死或脫空，還會引起吊桿斷裂等問題，給管道的安全運行帶來隱患。

（3）管道熱膨脹受阻。管道熱膨脹受阻通常是由于管道設計不合理所導致的，當熱膨脹受阻時，由于管道與其相鄰設備或管道的間隙較小，管道對其相鄰的結構的作用力很大，會引起其相鄰結構的破壞。

（4）阻尼器狀態異常。主要表現為漏油，阻尼器行程小于管道熱位移導致的活塞桿斷裂，由于冷熱態行程分配不合理導致的管道熱膨脹受阻。

（5）剛性支吊架卡塞或脫空。剛性支吊架主要有導向支架、滑動支架、剛性吊架和固定支吊架。在實際中由于支吊架配置不合理、安裝質量不良、變形、銹蝕等原因，導致滑動支吊架滑動受阻，導向支吊架導向錯誤等。剛性吊架的冷態脫空是指安裝過程中沒有將其調緊，熱態脫空是指實際熱位移的方向與預計不符。冷態脫空和熱態脫空都會使管道的應力增大，導致管道出現安全隱患。

（6）支吊架結構損壞。管部損壞是由于管部壓力過大、材料質量問題等原因所致，主要表現為管部斷裂或存在裂紋，支架管部管夾松動等。支吊架根部損壞是由于支吊架生根梁的采用方式以及根部連接件穿孔部位的開孔大小不當所致。支吊架連接件損壞是由于連接件的材質質量差、支吊架受力異常，管道振動、沖擊、銹蝕嚴重等原因所致。

管道支吊架優化調整

管道支吊架的調整主要是調整管道標高和調整管道支吊架荷載的分配；在管道安裝過程中，管道標高和水平管道的水平坡度通過調節支吊架的吊桿長度來調節；管道支吊架的載荷分配通過冷態調整和熱態調整。對實際位移值與設計值相差較小的支吊架進行冷態調整，若為多線平行管道，按從爐頂向下的順序進行。

調整原則

由于所設計的管道自重、管道保溫材料厚度、管道支吊架的安裝位置等各種參數與現場實際情況存在一定的偏差，因此，在管道支吊架調整時，我們認為管道支吊架承受的荷載與設計荷載相近即符合要求。

調整方法

（1）管系應力分布不變法。在保持原管系的應力設計不變的同時，對管系支吊架進行調整。該方法只適用于支吊架失效率低、無明顯下沉的管道。

對于轉體銹死、拉至最下位的恒力支吊架和已壓并的變力彈簧支吊架，用有荷載傳感器的裝置來測定其實際荷載。對未并圈的變力彈簧支吊架，通常的做法是先測量彈簧高度，再推算其實際承受荷載。為了減小推算荷載誤差，首先應該對舊彈簧的剛度進行測量。

將各吊點測得的實際承受荷載與其設計荷載做比較，調整不符合設計要求的吊點，使其符合設計值。由于管系各吊點之間相互關聯，因此，調整任意一個吊點的荷載都會引起相鄰吊點荷載的變化。只有對支吊架反復進行調整，才能夠使各吊點的承受荷載與設計值接近。

（2）管系應力重新設計法。即對管系應力全部重新進行設計，如可以在管系的適當位置設置剛性吊點。該方法能夠有效控制管系的位移，阻止管系下沉，適用于支吊架失效率高、有明顯下沉的管道。通過對新管系進行應力計算，以確定管系原吊點位置的承受荷載及熱位移。對不滿足新設計的荷載和熱位移的支吊架重新進行選型，對能夠滿足的支吊架進行調整，使其滿足設計要求。

調整過程

按冷態和熱態分別進行調整。

在管道投運前進行冷態調整，主要內容包括支吊架的荷載分配、檢查彈簧狀態、緊固螺母、阻尼器的行程分配、恒吊指針、冷態彈性吊架復查等，保證各剛性支吊架吊桿無松弛現象、恒吊指針處于安裝位置、各變力彈簧指針處于冷態標識位置、冷態彈簧的壓縮數據與設計規定值相符、各個限位裝置穩定牢固、阻尼器行程及功能符合要求、防沖支架間隙滿足設計要求。調整完成后，需解除彈性支吊架的鎖定。由于支吊架荷載的調整會引起其相鄰支吊架荷載變化，因此，在調整每個支吊架的同時，需檢查并調整其相鄰的支吊架。

在機組啟動達到額定負荷8h 之后，對支吊架進行熱態調整，一般情況下只需微調，便可使全部支吊架都符合設計要求。有熱位移的管道，應測出冷態與受熱的熱位移偏差值，若偏差較大，應根據管道的實際情況具體進行分析及處理。簡易式彈簧支吊架，需將其冷、熱態的荷載換算為彈簧高度，再根據彈簧高度進行調整。一般情況下，不對恒力吊架進行荷載調整，或通過調節螺桿對恒力支吊架荷載進行微調。剛性吊架的荷載可通過調整松緊螺母進行調節。首次試運結束，管道由熱態恢復為冷態時，要進行全面檢查，查看各部位支吊架是否回到冷態位置。

支吊架的調整需要反復進行，在調整過程中應細心觀察，積累經驗。

4 結束語

綜上可以看出，進行管系應力分析和支吊架調整是預防火電廠生產事故，提高火電廠運行安全性和可靠性的重要環節。

通過進行管系應力分析和支吊架檢查，發現支吊架存在的一些問題，結合實際情況，制定相應的支吊架調整方案，可以避免支吊架存在問題所引起的管道安全運行隱患，保證機組的安全穩定運行。

管道支吊架在運行過程中狀態會發生變化，應按照火力發電廠汽水管道與支吊架維修調整導則的要求，對支吊架進行日常監督與維護。